2.1.2 纏繞層材料

??? 纖維材料選用符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)性玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維。采用碳纖維時，應(yīng)采取措施，防止纏繞氣瓶金屬部件產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕(在內(nèi)膽外表面與碳纖維之間纏繞部分玻璃纖維；或?qū)?nèi)膽外表面進(jìn)行防腐處理等)。

??? 樹脂選用熱固性環(huán)氧樹脂，按一定的比例配料，經(jīng)過纏繞、固化工序后，驗(yàn)證其纏繞層抗拉強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度是否達(dá)到保證值的要求，并據(jù)此制訂合格、成熟的工藝路線和工藝手冊。

??? 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，纏繞氣瓶在正常使用期間，其承壓部件由于可能的質(zhì)量退化會出現(xiàn)“未爆先漏”的失效模式^[3]。參照GB 5099—1994《鋼質(zhì)無縫氣瓶》實(shí)際爆破壓力計算公式S=p_b·D₀/(2.1R_m+p_b)^[4]，計算出內(nèi)膽筒體滿足最小爆破壓力時的最小厚度；由纏繞氣瓶最小爆破壓力確定纏繞層數(shù)(金屬內(nèi)膽封頭承擔(dān)軸向拉應(yīng)力，纏繞層只承受周向應(yīng)力)；確定纏繞氣瓶自緊壓力極限范圍(根據(jù)載荷、位移的邊界條件及其有限元網(wǎng)格圖，用應(yīng)力分析的方法，計算自緊后纏繞氣瓶在零壓力、公稱工作壓力、水壓試驗(yàn)壓力和設(shè)計爆破壓力下，纏繞層和內(nèi)膽中的應(yīng)力)；根據(jù)應(yīng)力分析，確定最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)；同時，計算纏繞氣瓶在水壓試驗(yàn)壓力下的安全泄放量，據(jù)此選擇安全泄放裝置。該安全泄放裝置應(yīng)為易熔合金塞和爆破片復(fù)合式。

??? 1) 鋼管進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)其化學(xué)成分，并采用超聲檢測方法檢測其質(zhì)量。經(jīng)過中頻加熱旋壓后，分別成型瓶肩和瓶底；瓶肩、瓶底形狀應(yīng)圓滑過渡，無突變；收底后，去除瓶肩、瓶底附近內(nèi)壁皺折和其他缺陷，并保持圓滑過渡；同時用專用工具檢查其內(nèi)部。對氣瓶內(nèi)外表面進(jìn)行拋丸處理，不允許有裂紋存在，表面應(yīng)光滑平整，盡量減少應(yīng)力集中。

??? 2) 為了得到滿足性能和要求的金相組織，對金屬內(nèi)膽進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，熱處理后的力學(xué)性能控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)，同時對內(nèi)膽的金相組織進(jìn)行檢測，其纖維組織應(yīng)為回火索氏體；晶粒度不低于6級；內(nèi)外壁脫碳層深度不超過0.3mm，確保內(nèi)膽組織不存在馬氏體，避免發(fā)生氫脆。然后用磁粉和射線檢測方法，檢查其質(zhì)量。

??? 3) 氣瓶內(nèi)膽缺陷易加劇氣瓶氫脆、發(fā)生應(yīng)力腐蝕。因而，必須控制其缺陷的產(chǎn)生。在熱處理后，對內(nèi)膽進(jìn)行磁粉和射線探傷檢查，不允許有任何裂紋存在，并對內(nèi)膽的直線度、橢圓度等加以嚴(yán)格控制。

??? 4) 氣瓶內(nèi)壁的拉應(yīng)力易導(dǎo)致氫脆。因此，對氣瓶內(nèi)壁進(jìn)行噴丸處理，內(nèi)表面形成局部壓應(yīng)力，使鋼瓶內(nèi)壁處于預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)，改善其抗疲勞性能和抗氫脆能力。

??? 5) 對纏繞氣瓶內(nèi)壁進(jìn)行防腐處理，防止氫向鋼中擴(kuò)散，產(chǎn)生氫脆。

??? 6) 纖維處理。纖維采用了增強(qiáng)浸潤劑進(jìn)行處理，存儲不當(dāng)會吸附大量的水分，纖維表面的這些游離水會影響樹脂基體與纖維的黏合，使微裂紋等缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使纏繞層強(qiáng)度和耐老化性能下降^[5]。因此，纖維使用前需進(jìn)行烘干處理(60～80℃下烘干24h)。

??? 7) 浸膠及膠液含量。膠液含量的變化及分布對纏繞氣瓶質(zhì)量的影響較大：①會直接影響纏繞氣瓶的厚度控制；②若含膠量過高，纏繞層的強(qiáng)度會降低，含膠量過低，則耐老化性能及剪切強(qiáng)度又會下降，同時也影響纖維強(qiáng)度的發(fā)揮。因此，需嚴(yán)格控制纖維纏繞的含膠量，保證整個纏繞過程中的含膠量均勻。實(shí)際操作中將含膠量控制在17%～25%之間。影響含膠量的因素較多，主要有膠液黏度、纏繞張力、浸膠時間等。同時膠液溫度也與纏繞氣瓶質(zhì)

量息息相關(guān)，因此，通常在浸膠槽下裝備恒溫水箱，以控制膠液溫度。水溫控制在20～40℃，膠液黏度控制在0.35～1.0Pa·s。

??? 8) 連續(xù)、成熟的纏繞、固化技術(shù)。纏繞張力是纏繞工藝的重要參數(shù)。張力大小、各束纖維間張力的均勻性以及各纏繞層之間纖維張力的均勻性等都直接影響著纏繞氣瓶的質(zhì)量。因此，采用專用設(shè)備控制其纏繞張力的大小和變化，限制纏繞速度。濕法纏繞紗線速度不超過0.9m/s，同時氣瓶內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)速度也不能過高，否則，膠液會在離心力作用下，向外遷移和濺灑。纏繞角是纖維纏繞方向與氣瓶內(nèi)膽軸向之間的夾角。對于環(huán)向纏繞氣瓶，其纏繞角接近于90°。纏繞角與纖維纏繞紗片寬度有直接關(guān)系。經(jīng)測算，纏繞時，紗片寬度不宜大于24mm，以便纖維受力最大限度地用于環(huán)向。

??? 9) 對固化后的纏繞氣瓶進(jìn)行自緊處理。自緊是制造纏繞氣瓶時對金屬內(nèi)膽的加壓過程，使內(nèi)膽應(yīng)變超過其屈服點(diǎn)，足以引起永久性的塑性變形。加壓的結(jié)果，使纏繞氣瓶內(nèi)部在零壓力時，內(nèi)膽具有壓應(yīng)力，纖維具有拉應(yīng)力。這樣，有利于提高纏繞氣瓶的承載能力、改善其抗疲勞性能和抗氫脆能力。

??? 纏繞氣瓶的安全性既與金屬內(nèi)膽化學(xué)成分、力學(xué)性能有關(guān)，又與其纏繞層質(zhì)量和制作工藝密不可分。主要從以下方面來控制纏繞氣瓶的安全性：

??? 1) 限定金屬內(nèi)膽材料中硫和磷的含量，要求含硫量小于0.02%，含磷量小于0.02%，硫磷總量小于0.03%。

??? 2) 限制金屬內(nèi)膽實(shí)際抗拉強(qiáng)度值，要求σ_b不高于880MPa，屈強(qiáng)比不大于0.85。

??? 3) 要求金屬內(nèi)膽材料有較高塑性，其斷后伸長率不小于14%，3個試樣沖擊功平均值不低于30J。

??? 4) 控制金屬內(nèi)膽初始缺陷尺寸，并采取內(nèi)膽內(nèi)壁噴丸和外壁拋丸的工藝保障措施。

??? 5) 對纏繞氣瓶內(nèi)壁進(jìn)行防腐處理。

??? 6) 采用自緊工藝，使內(nèi)膽與纖維纏繞層緊密貼合，成為連續(xù)受力體，使纏繞氣瓶在零壓力時，內(nèi)膽具有壓應(yīng)力，纖維具有拉應(yīng)力，以此來提高纏繞氣瓶的承載能力和延長其使用壽命。

??? 綜上所述，針對影響纏繞氣瓶安全性的因素，從材料、設(shè)計、制造、驗(yàn)收等各個環(huán)節(jié)采取有效措施，尤其是限制金屬內(nèi)膽實(shí)際抗拉強(qiáng)度上限值和對內(nèi)膽內(nèi)壁進(jìn)行防腐處理，對于降低氫脆等危害的產(chǎn)生，提高纏繞氣瓶的安全性非常重要，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。

[1] 化學(xué)工業(yè)部化工機(jī)械研究院.腐蝕與防護(hù)手冊——腐蝕理論、試驗(yàn)及監(jiān)測[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

[2] 秋長鋆.高強(qiáng)度鋼在常溫高壓氫氣中的氫脆[J].中國鍋爐壓力容器安全，1999(6).

[3] IS011439—2000天然氣汽車車載高壓氣瓶[S].[出版地不詳]：[出版者不詳]，2000.

[4] 國家技術(shù)監(jiān)督局.鋼質(zhì)無縫氣瓶[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.